Цитратный цикл (Цикл Кребса).

Цитратный цикл - цикл лимонной кислоты – цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) и наконец цикл Кребса* разные обозначения одного и того же процесса. Этот процесс, образно говоря, та главная ось вокруг которой вертится метаболизм почти всех существующих клеток. Значение этого цикла, первоначально постулированного для объяснения полного сгорания пирувата (и, таким образом, углеводов), а также дву- и трех углеродных конечных продуктов окисления жирных кислот, вышло далее за рамки этих и им подобных чисто катаболических функций, связанных с выработкой энергии. Цикл Кребса является «фокусом», в котором сходятся все метаболические пути. Поэтому его реакции и субстраты играют решающую роль в биосинтезе (анаболизме) множества важных соединений: аминокислот, пуринов, пиримидинов, углеводов, жирных кислот с длинной цепью, порфиринов и др.

Краткая история вопроса.

Исследования по окислению ряда органических соединений, в том числе некоторых моно-, ди- и трикарбоновых кислот, препаратами из тканей животных были начаты в 20-х годах прошлого века учеными Тунбергом, а также Бателли и Штерн. Эти ученые обнаружили, что из многих опробованных субстратов лишь сукцинат, фумарат, малат и цитрат окислялись препаратами из мышцы лягушки со скоростью, достаточно большой для соединений, претендующих на роль промежуточных продуктов окисления жиров и углеводов. В 1936 г. Марциус и Кноп высказали предположение, что цитрат превращается в сукцинат указанным ниже путем:

Цитрат → Изоцитрат → Оксалосукцинат → α-Кетоглутарат → Сукцинат.

В следующем году Кребс на основе установленного им факта образования лимонной кислоты (в грудной мышце голубя) из пирувата и оксалоацетата пришел к заключению, что если упомянутые реакции изобразить в виде цикла, то можно объяснить полное окисление пировиноградной кислоты до трех молекул СО₂:

Пируват + Оксалоацетат → Цитрат → цис -Аконитат → Изоцитрат →

α-Кетоглутарат → Сукцинат → Фумарат → Малат → Оксалоацетат.

—

* Ганс Кребс - выдающийся английский биохимик, родившийся в Германии, - получил в 1953 г.

Нобелевскую премию по физиологии и медицине за работу по промежуточному метаболизму.

 

Ниже перечислены наблюдения, убедительно свидетельствующие о том, что эта последовательность реакций (вместе со всеми ее модификациями, которые мы обсудим ниже) действительно представляет собой главный путь распада пировиноградной и уксусной кислот (вовлекаемых в цикл в виде ацетил-КоА) в тканях всех животных, начиная с человека и кончая высшими растениями и многими микроорганизмами.

1. Было показано, что предполагаемые промежуточные продукты цикла действительно присутствуют в большинстве исследованных тканей. Кроме того, скорости окисления этих соединений оказались достаточно высокими, т.е. вполне соответствующими скоростям превращений участников цикла.

2. Добавление какой-либо из ди- и трикарбоновых кислот сильно увеличивает интенсивность эндогенного дыхания. При этом поглощение кислорода во много раз превышает количество, которое потребовалось бы для окисления самого добавленного соединения. Именно этот последний факт наиболее убедительно указывает на циклическую природу процесса окисления, ибо если добавленные субстраты действуют каталитически, а не стехиометрически, то они должны (хотя бы частично) регенерироваться в ходе реакции.

3. Малоновая кислота в малых концентрациях является высокоспецифичным ингибитором реакции превращения янтарной кислоты в фумаровую. Введение малоновой кислоты в «дышащую» дыхательную систему приводит к накоплению янтарной кислоты.

4. Распределение С¹⁴ в различных промежуточных продуктах, возникающих при окислении таких типичных субстратов, как глюкоза или жирная кислота, полностью согласуется с данной схемой.

5. Было показано, что в клетках животных и растений все реакции цикла протекают в одной и той же клеточной органелле - митохондрии. Более того, ферменты, катализирующие отдельные реакции цикла, присутствуют в митохондриях различных клеток одного организма и разных организмов в примерно в одном и том же соотношении.

 

Реакции цитратного цикла

1. Сначала ацетильная группа в реакции, катализируемой цитрат-синтазой, конденсируется с молекулой оксалоацетата с образованием цитрата (цикл получил свое название по продукту этой реакции).

2. На следующей стадии цитрат изомеризуется в изоцитратс переносом гидроксильной группы внутри молекулы.

При этом промежуточный продукт реакции, ненасыщенный аконитат, остается во время реакции связанным с ферментом (на схеме не показано). Поэтому фермент, катализирующий реакцию. называют аконитатгидратазой(«аконитазой»).

Свойства аконитазы обеспечивают абсолютную стереоспецифичность изомеризации. В то время как цитрат не обладает хиральностью, изоцитрат содержит два асимметрических центра и может существовать в четырех изомерных формах. Однако в цитратном цикле образуется только один из стереоизомеров, (2R,3S)-изоцитрат.

3. На следующей стадии изоцитратдегидрогеназа окисляет гидроксигруппу изоцитрата в оксогруппу с одновременным отщеплением карбоксильной группы в β-положении в виде СО₂ и образованием 2-оксоглутарата.

 

4. Последующее образование сукцинил-КоА, включающее реакции окисления и декарбоксилирования, подобно ПДГ-реакции, рассмотренной ранее, и также катализируется мультиферментным ОДГ-комплексом (2 - оксоглутаратдегидрогеназа).

5. Расщепление тиолсложноэфирной связи в сукцинил-КоА с образованием сукцината и кофермента А, катализируемое сукцинат-КоА-лигазой (тиокиназой), высокоэкзоэргическая реакция, энергия которой используется для синтеза фосфоангидридной связи («субстратного фосфорилирования»).

Однако, в цитратном цикле синтезируется не АТФ, как в большинстве реакций субстратного фосфорилирования, а гуанозинтрифосфат (ГТФ), который однако легко превращается в АТФ при катализе нуклеозиддифосфаткиназой.

В приведенных 5 реакциях ацетильный остаток полностью окисляется до СО₂, при этом исходный оксалоацетат восстанавливается в сукцинат. В трех последующих реакциях цикла сукцинат снова превращается в оксалоацетат.

6. Вначале сукцинат окисляется в фумарат под действием сукцинатдегидрогеназы. В отличие от других ферментов цикла сукцинатдегидрогеназа является интегральным белком внутренней митохондриальной мембраны. Сукцинатдегидрогеназа содержит ФАД в качестве простетической группы, однако фактическим акцептором электронов является убихинон (подробнее эту реакцию рассмотрим на следующей лекции).

7. Затем к двойной связи фумарата с помощью фумаратгидратазы (фумаразы») присоединяется вода и образуется хиральный (2S)-малат.

8. И наконец на последней стадиицикла малат окисляется НАД⁺ под действием малатдегидрогеназы в оксалоацетат с образованием НАДН + Н⁺. Эта реакция замыкает цитратный цикл.

Общий балансцитратного цикла состоит втом, что из одного ацетильного остатка образуются 2СО₂, ЗНАДН + 3Н⁺, одна молекула убихинола (QН₂) и одна молекула ГТФ.